氯化鈉對玉米淀粉凍融穩定性的影響

王冠青， 劉國棟， 洪 雁*， 顧正彪， 程 力， 李兆豐

（1.食品科學與技術國家重點實驗室 江南大學，江蘇 無錫214122；2.江南大學 食品學院，江蘇 無錫 214122；3.江南大學 食品安全與營養協同創新中心，江蘇 無錫 214122）

氯化鈉對玉米淀粉凍融穩定性的影響

王冠青1，2，3， 劉國棟1，2，3， 洪 雁*1，2，3， 顧正彪1，2，3， 程 力1，2，3， 李兆豐1，2，3

（1.食品科學與技術國家重點實驗室 江南大學，江蘇 無錫214122；2.江南大學 食品學院，江蘇 無錫 214122；3.江南大學 食品安全與營養協同創新中心，江蘇 無錫 214122）

對NaCl對玉米淀粉凍融穩定性的影響進行了研究。采用差示掃描量熱儀（DSC）、掃描電子顯微鏡（SEM）和質構儀（TPA）等現代分析儀器分別研究不同摩爾濃度的NaCl對淀粉糊凝膠凍融析水率、超微結構、回生熱力學特性以及質構的影響，并通過zeta電位分析儀探討了鹽離子與淀粉分子間的相互作用。結果表明：NaCl可降低玉米淀粉的析水率，減小淀粉凝膠結構的破裂；經過5次凍融后的玉米淀粉凝膠硬度和回生率均與NaCl溶液濃度呈顯著負相關；NaCl的添加使得體系zeta電位下降，證明Na+與淀粉分子間存在相互作用，進而抑制凍融過程中淀粉的回生。

玉米淀粉；凍融穩定性；NaCl；回生

淀粉來源廣泛，是一種天然可再生資源，具有較好的增稠穩定等功能，廣泛地應用在食品工業中[1]。玉米淀粉是我國產量最豐富的淀粉資源，我國2013年玉米淀粉總產量達2 196萬噸，僅次于美國居第二位[2]。普通玉米淀粉顆粒較小，淀粉顆粒結構緊密，起始糊化溫度較高，成糊后具有較好的抗剪切能力和熱穩定性[3]，通常作為增稠劑和乳化劑廣泛應用于食品中。

隨著經濟的發展，人們生活節奏加快，主食類冷凍食品逐漸進入廣大消費者家庭，然而在運輸和貯藏過程中，冷凍食品難免會經歷反復的凍結和融化過程。淀粉作為主食類食品中重要的成分，反復的凍融循環（freeze-thaw cycle，FTC）會使得其形成海綿狀結構，水分從淀粉主體中析出，從而發生脫水縮合現象。脫水縮合將導致淀粉質食品發生水分流失或變軟等現象，進而直接影響食品的感官特性以及貨架期[4]。在研究中，通常通過凍融穩定性來衡量淀粉在冷凍和解凍過程發生的物理變化[5]。

食品添加劑是食品中不可缺少的組分，它為改善食品風味和質構、延長貯藏期等提供了一定的作用。鹽類化合物，尤其是NaCl，是食品加工中重要的添加劑之一。已有研究證明NaCl影響淀粉的凍融穩定性，但其作用機理尚未明確。Baker和Rayas-Duarte[6]等研究發現，NaCl可顯著降低了淀粉反復凍融后的析水率以及回生程度；龍虎等[7]研究了不同食品添加劑對蕨根淀粉凍融穩定性的影響，發現NaCl可促進蕨根淀粉的凍融穩定性。

作者以普通玉米淀粉為研究對象，研究在不同濃度NaCl溶液體系中，淀粉糊經過反復凍融后析水率、質構以及微觀結構的差異；采用差示掃描量熱儀測定反復凍融后的淀粉糊的回生現象；運用zeta電位儀探究了離子與淀粉分子間相互作用，為改善淀粉的凍融穩定性、探究淀粉與其他食品組分的相互作用機理奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

普通玉米淀粉（水分質量分數12.75%）：山東諸城興貿玉米開發有限公司提供；氯化鈉（AR）：國藥集團化學試劑有限公司產品。

CR 21GШ高速冷凍離心機：日本HITACHI公司產品；Quanta-200電子掃描顯微鏡：荷蘭FEI公司產品；TA.XT2i-物性測試儀：英國SMS公司產品；Q200差示掃描量熱儀：美國TA公司產品；zeta電位分析儀：英國Malvern公司產品。

1.2 實驗方法

1.2.1 淀粉凝膠的制備 將玉米淀粉分散在去離子水以及0.1、0.3、0.5、1.0 mol/L的NaCl溶液中，配置成質量分數5%的淀粉懸濁液，在沸水浴中攪拌糊化30 min。

1.2.2 淀粉糊的凍融循環 稱取50 mL離心管質量（m1），將約20 g淀粉糊轉移至離心管中，稱取質量（m2）。將離心管放入－18℃冰箱冷凍中22 h后，再放到30℃中解凍2 h，作為一個凍融循環。

1.2.3 析水率測定 淀粉糊經過1，2，3，4，5次循環后，在8 000 g離心力下離心15 min，將上清液傾出，稱取離心管質量（m3），采用公式（1）計算析水率：

1.2.4 微觀結構 將經過5次凍融后的淀粉凝膠進行冷凍真空干燥，取中心部分截面進行離子濺射噴金，并置于掃描電鏡（SEM）下觀察截面的超微結構，加速電壓為15 kV，放大倍數為150倍。

1.2.5 質構特性 稱取1.2.1中制備的淀粉糊36 g置于鋁盒中，按1.2.2節的凍融方法反復凍融5次，采用質構儀測定糊化后淀粉糊以及經過5次凍融后淀粉糊的質構。測定參數設定：P/36R圓柱形探頭，測試前速度1.0 mm/s，測試速度1.0 mm/s，測試后探頭回程速度5.0 mm/s，觸發力5 g，探頭壓縮部位為膠體的中心部位，壓縮至樣品原高度的45%。

1.2.6 回生熱力學特性 將淀粉與去離子水以及不同濃度的NaCl溶液以質量比1∶2的比例配置成淀粉懸濁液，取適量加到坩堝進行糊化，糊化程序：從30℃ 升至100℃，速率為10℃/min。將糊化后的坩堝樣品按照1.2.2節中描述方法進行凍融處理，經過5次凍融后，測定其回生性質，測試程序：30～100℃，10℃/min。回生率R定義為回生焓與糊化焓的比值。

1.2.7 Zeta電位 將玉米淀粉分散在去離子水以及0.1、0.3、0.5、1.0 mol/L的NaCl溶液中，配置成質量分數5%的懸濁液。使用去離子水將懸濁液稀釋50倍后在沸水浴中攪拌糊化30 min。使用馬爾文zeta電位分析儀測定其電位。采用Henry方程（見公式2）計算其zeta電位：式（2）中，γ為zeta電位；UE為電泳淌度；ε為介電常數；η為介質粘度；f（Ka）為Henry函數。

1.2.8 數據處理 所有數據均為3次平行測量的平均值，運用SPSS軟件進行顯著差異分析（Duncan），顯著差異水平取p＜0.05。采用Pearson相關系數進行相關性分析。

2 結果與討論

2.1 析水率

由圖1可知，未添加NaCl的玉米淀粉由1～2 FTC（循環次數），玉米原淀粉糊的析水率增長幅度為47.13%，然而從2 FTC后析水率逐漸下降。此外，0.3，0.5，1.0 mol/L NaCl中的玉米淀粉糊析水率也分別在2，4和4 FTC后出現下降，這可能是由于玉米淀粉凝膠在反復凍融后出現海綿狀結構造成的，這種結構十分容易將析出的液體重新吸收回到海綿狀結構中[8]。Chen等人[9]認為離心后海綿狀的網絡結構導致析水率在循環后出現下降的現象。此外，在0.1 mol/L NaCl體系下，玉米淀粉糊的析水率在2 FTC時出現了急劇下降，這也可能跟玉米淀粉凝膠結構的海綿狀結構有關。

圖1 NaCl不同濃度下玉米淀粉凝膠的析水率情況Fig.1 Syneresispercentofcorn starch containing different concentrations of NaCl at each freezethaw cycles

離心法測定析水率存在一些缺陷，但仍是目前研究中最常使用的方法[8]，且測得的數據能夠從一定程度上反映水分與淀粉主體之間相分離現象。由圖1所示，當1 FTC后，低濃度NaCl體系下的淀粉凝膠析水率變化較小，而1.0 mol/L NaCl中的淀粉凝膠析水率則顯著降低。從2 FTC開始，空白組的析水率明顯高于含有NaCl體系的實驗組。這也進一步說明了NaCl能夠降低玉米淀粉凝膠的析水率，即減小了淀粉與水的相分離程度。

2.2 微觀結構

糊化后的淀粉凝膠是一個連續均一的體系。冷凍過程中，水凍結成冰，從淀粉主體中游離出來，形成了分離的兩相[10]。溫度的波動以及反復的凍融使淀粉形成了不溶性的凝膠，并進一步加速了淀粉回生，最終形成具有冰晶嵌入的海綿狀結構。融化過程中，冰晶融化成水與淀粉相產生相分離，引起脫水縮合作用[11]。經過冷凍干燥后，冰晶消失，淀粉主體出現明顯的孔洞結構。由圖2（a）可以看出，未添加NaCl的玉米淀粉經過5次凍融循環后，呈現致密的海綿狀結構，包裹在冰晶周圍的淀粉壁較厚，這是由于冰晶的形成以及淀粉分子的重排導致的。由圖2（b）、（c）可以看出，淀粉的海綿狀結構變得松散，呈現分散的片狀，相互間的連接程度較小，這是由于NaCl的添加使得凍結的水分少，且離子與淀粉分子發生相互作用，從而使淀粉的回生程度減弱，沒有形成致密的纖維狀結構；圖2（d）、（e）中的淀粉的網絡結構不明顯，連續性和完整性更好。這可能是由于NaCl的添加不利于冰晶的形成，從而減小了冰晶對淀粉凝膠的破壞作用，使得淀粉主體呈現完整、連續的結構。

圖2 NaCl不同濃度對5次凍融循環后玉米淀粉凝膠超微結構的影響Fig.2 Scanning electron microscopy images of corn starch gels containing different NaCl concentrations after five freeze-thaw cycles

2.3 質構

由圖3可知，未經凍融的玉米淀粉凝膠硬度沒有明顯差異，這表明NaCl的添加不會明顯改變新鮮玉米淀粉糊的硬度。經過5次凍融循環后，淀粉凝膠的硬度增大。隨著NaCl濃度的升高，凍融玉米淀粉凝膠的硬度呈現下降趨勢，且兩者成負相關（r=-0.878，p＜0.05）。已有相關報道表明淀粉凝膠經過反復凍融后凝膠硬度增強，這與淀粉的回生、淀粉凝膠的網絡結構以及淀粉分子間的聚集有關[12]。NaCl不僅能夠抑制玉米淀粉回生的作用，而且能夠通過抑制冰晶形成減小冰晶對凝膠結構的破壞，從而達到減小淀粉凝膠硬度的效果。

圖3 NaCl不同濃度對玉米淀粉糊多次凍融循環后凝膠硬度的影響Fig.3 Effect of NaCl on the hardness of corn starch gels subjected to zero and five freeze-thaw cycles

2.4 回生熱力學

DSC是一種研究淀粉回生情況的有效手段[13]，其中測得的吸熱峰是由支鏈淀粉回生后再熔化引起的[14]。使用DSC研究NaCl對凍融后的玉米淀粉凝膠回生情況的影響。由表1可以看出，起始糊化溫度隨著NaCl濃度的增加而升高，這可能是由于水分子結構的變化以及淀粉與離子間的相互作用導致的[15]。經過反復凍融的淀粉凝膠，淀粉分子發生重排引起回生。回生率 （the degree of retrogration，R%）是指淀粉糊化焓與回生焓的比值[16]，用以表示淀粉發生分子重排的程度。由表1所示，隨著NaCl質量濃度的升高，回生率顯著下降，且兩者之間呈現顯著負相關（r=-0.975，p＜0.01）。這說明NaCl能夠有效的抑制凍融過程中淀粉分子的重排，減弱淀粉回生作用，從而提高玉米淀粉的凍融穩定性。這與之前的報道結果一致[6]，并與2.2以及2.3中的現象相吻合。

2.5 Zeta電位

由表2可知，原淀粉糊化后zeta電位為負值，即經過經過糊化后玉米淀粉分子總體呈現負電性。NaCl的添加使得淀粉分子的zeta電位減小，這說明Na+吸附在淀粉分子周圍，使得淀粉分子表面的負電性減弱，即兩者發生相互吸引。這與Chinachoti等人[17]的報道一致，他們使用23Na核磁共振檢測發現Na+的運動性減弱，這證明Na+與淀粉分子間的相互作用。淀粉凝膠在凍融過程中，由于溫度的波動會發生淀粉的回生。淀粉分子的回生主要經歷3個階段：晶核形成，晶體生長，晶體成熟[18]。Na+進入淀粉分子中，阻礙淀粉分子間的聚合抑制了晶體生長的過程，從而抑制淀粉的回生，增強了淀粉的凍融穩定性。

表1 不同濃度NaCl中經過5次凍融循環的玉米淀粉凝膠熱力學性質Table 1 Differential scanning calorimetry parameters of corn starch gels containing different NaCl concentrations after five freeze-thaw cycles

表2 不同濃度NaCl中玉米淀粉糊的zeta電位Table 2 Zeta potential values of corn starch gels containing different NaCl concentrations

3 結語

經過研究NaCl對普通玉米淀粉凝膠凍融穩定性的影響，發現NaCl的添加減小了玉米淀粉的析水率，即NaCl使得玉米淀粉凝膠在凍融過程中的相分離程度減弱。通過掃描電鏡圖可以看出添加NaCl的玉米淀粉凝膠經過5次凍融循環后淀粉主體的網絡結構變得不明顯。質構分析表明5次凍融循環后玉米淀粉凝膠的硬度與NaCl的濃度呈負相關。熱力學分析表明5次凍融循環后玉米淀粉凝膠的硬度與NaCl的濃度呈負相關。淀粉分子與Na+發生相互作用，阻礙淀粉分子間的聚合，從而抑制淀粉的回生，增強了玉米淀粉的凍融穩定性。

[1]朱玲，張雅媛，洪雁，等.木薯淀粉—黃原膠復配體系中淀粉糊化機理[J].食品科學，2011，32（3）：81-85. ZHU Ling，ZHANG Yayua，HONG Yan，et al.Gelatinization mechanisms of tapioca starch-xanthan gum system [J].Food Science，2011，32（3）：81-85.（in Chinese）

[2]金樹人.努力開拓淀粉糖與糖醇行業的新原料——淀糖與糖醇發展對策之一[J].淀粉與淀粉糖，2012（3）：5-8. JIN Shuren.Efforts to open up a new raw material of starch sugar and sugar alcohol industry[J].Starch&Starch Sugar，2012（3）：5-8.（in Chinese）

[3]張雅媛.玉米淀粉與親水性膠體協效性和作用機理的研究[D].無錫：江南大學，2012.

[4]Teng L，Chin N，Yusof Y.Rheological and textural studies of fresh and freeze-thawed native sago starch-sugar gels.II. Comparisons with other starch sources and reheating effects[J].Food Hydrocolloids，2013，31（2）：156-165.

[5]賈春利，黃衛寧，鄒奇波，等.熱穩定冰結構蛋白對小麥淀粉凝膠凍融穩定性的影響[J].食品科學，2012，33（1）：83-87. JIA Chunli，HUANG Weining，ZOU Qibo，et al.Influence of thermalstable ice-structuring proteins extracted from oat flour and Chinese privet leaves on freeze-thaw stability of wheat starch gels[J].Food Science，2012，33（7）：83-87.（in Chinese）

[6]Baker L，Rayas-Duarte P.Freeze-thaw stability of amaranth starch and the effects of salt and sugars 1[J].Cereal Chemistry，1998，75（3）：301-307.

[7]龍虎，蔡自建，劉魯蜀，等.不同添加劑對蕨根淀粉凍融穩定性影響的研究[J].西南民族大學學報：自然科學，2008，33（1）：96-100. LONG Hu，CAI Zijian，LIU Lushu，et al.Application properties of fern root starch：freeze-thaw stabilization[J].Journal of Southwest University for Nationalities，2008，33（1）：96-100.（in Chinese）

[8]Charoenrein S，Tatirat O，Muadklay J.Use of centrifugation-filtration for determination of syneresis in freeze-thaw starch gels[J]. Carbohydrate Polymers，2008，73（1）：143-147.

[9]Chen Z，Schols H，Voragen A.Physicochemical properties of starches obtained from three varieties of Chinese sweet potatoes[J]. Journal of Food Science，2003，68（2）：431-437.

[10]Wang L，Yin Z，Wu J，Sun Z，et al.A study on freeze-thaw characteristics and microstructure of Chinese water chestnut starch gels [J].Journal of Food Engineering，2008，88（2）：186-192.

[11]Srichuwong S，Isono N，Jiang H，et al.Freeze-thaw stability of starches from different botanical sources：Correlation with structural features[J].Carbohydrate Polymers，2012，87（2）：1275-1279.

[12]Miles M.J，Morris V.J，Orford P.D，et al.The roles of amylose and amylopectin in the gelation and retrogradation of starch[J]. Carbohydrate Research，1985，135（2）：271-281.

[13]Karim A A，Norziah M，Seow C.Methods for the study of starch retrogradation[J].Food Chemistry，2000，71（1）：9-36.

[14]Tian Y，Xu X，Li Y，et al.Effect of β-cyclodextrin on the long-term retrogradation of rice starch[J].European Food Research and Technology，2009，228（5）：743-748.

[15]Jyothi A N，Sasikiran K，Sajeev M S，et al.Gelatinisation properties of cassava starch in the presence of salts，acids and oxidising agents[J].Starch/Starke，2005，57（11）：547-555.

[16]Temsiripong T，Pongsawatmanit R，Ikeda S，et al.Influence of xyloglucan on gelatinization and retrogradation of tapioca starch[J]. Food Hydrocolloids，2005，19（6）：1054-1063.

[17]Chinachoti P，Kim-Shin M，Mari F，et al.Gelatinization of wheat starch in the presence of sucrose and sodium chloride：correlation between gelatinization temperature and water mobility as determined by oxygen-17 nuclear magnetic resonance[J]. Cereal chemistry，1991，68（3）：245-248.

[18]Silverio J，Fredriksson H，Andersson R，et al.The effect of temperature cycling on the amylopectin retrogradation of starches with different amylopectin unit-chain length distribution[J].Carbohydrate Polymers，2000，42（2）：175-184.

Influence of Sodium Chloride on the Freeze-Thaw Stability of Corn Starch Gels

WANG Guanqing1，2，3， LIU Guodong1，2，3， HONG Yan*1，2，3， GU Zhengbiao1，2，3， Cheng Li1，2，3， LI Zhaofeng1，2，3
（1.The State Key Laboratory of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China；2. School of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China；3.Synergetic Innovation Center of Food Safety and Nutrition，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

This study investigated the influence of NaCl on the freeze-thaw stability of corn starch gels.Syneresis rate，microscopic structure，texture，thermal property and zeta potential of corn starch gel with different concentrations of NaCl were measured using centrifugation，scanning electron microscopy （SEM），texture analyzer and differential scanning calorimetry，respectively.The presence of NaCl reduced the syneresis rate and the destruction of gel structure.Hardness and retrogradation of corn starch gels were negatively correlated to the concentration of NaCl.The zeta potential of the starch gels also decreased with the increasing NaCl concentrations because of the adsorption of Na+.This study revealed that NaCl effectively preserves the quality of freeze-thawed corn starch gels.

corn starch，freeze-thaw stability，NaCl，retrogradation

TS 231

A

1673—1689（2015）07—0712—05

2014-09-03

國家“十二五”科技支撐計劃項目（2012BAD37B01）。

*通信作者：洪 雁（1974—），女，上海人，副教授，主要從事碳水化合物資源開發與利用研究。E-mail：hongyan@jiangnan.edu.cn